论文部分内容阅读
碳纳米管作为一维炭材料的典型代表，因其独特的电磁、力学、热学、光学等性能，在纳米电子器件、复合材料、生物医疗、储氢材料等领域被广泛研究。经过多年的发展，在制备方法、生长机理以及应用领域等方面取得了巨大的成果，被誉为21世纪最有前途的材料之一，但目前还没有一种方法能够制备出结构规整、纯度高、层数可控的碳纳米管，因此在结合现有的制备方法的基础上，提出新的制备工艺是一种可行的途径。 本文利用固相碳源与催化剂混合、炭化，并在助催化剂的作用下，合成多壁碳纳米管。采用SEM、TEM、HRTEM、XRD、Raman等分析表征手段研究碳管的形貌结构。结果发现用该方法制得的碳纳米管直径为50～100nm，长度为0.2～4μm，管壁较薄，直线型，结晶性能较好以及内部有较高催化剂填充率。在实验过程中，通过改变碳源的种类和颗粒大小、催化剂的类型及与碳源混合方式、酸化时间、反应温度、保温时间以及H2O和噻吩(C4H4S)添加量等参数，最终获得了碳管的最佳合成条件:选择利用10～20μm的天然石墨通过改性的H法氧化24h得到的氧化石墨烯为碳源，NiO/MgO为催化剂，按照质量比3∶10的比例，在乙醇溶液中混合均匀并加热蒸干，在850℃炭化，保温6～10h，并同时通入1.5ppm·min-1的水蒸气和1ppm·min-1的噻吩，最终得到形貌较好的CNTs。 通过对实验结果分析，提出一种新的制备CNTs的生长机理，其过程如下:(1)氧化处理使得碳源表面含有大量官能团和活性较高的碳位点，可以均匀吸附和锚合催化剂颗粒;(2)在炭化过程中，催化剂被还原，同时吸附S原子使其熔点降低，在Ostwald熟化作用下相互融并;(3)催化剂颗粒刻蚀碳层并吸附、溶解碳原子簇，使催化剂中碳的浓度升高;(4)当碳浓度增大到一定量时，在催化剂表面析出碳层，继续吸附S和刻蚀碳源，使得催化剂体内压力增大，在膨胀作用力下，催化剂变形拉长;(5)随着吸附S原子的饱和以及碳源的耗尽，生长结束，最后形成碳包覆金属硫化物的碳纳米管。 本实验制得的CNTs作为锂离子二次电池负极材料具有较高的比容量和循环稳定性。在小电流密度50mA·g-1下，首次放电比容量达到957.3mAh·g-1，循环50次后仍保持600mAh·g-1左右。通过前三次充放电电容量-电压曲线以及循环伏安曲线分析得出，填充在碳纳米管中的金属硫化物有较高比容量，在今后实验中，适量的保留填充在CNTs中的金属硫化物可以有效地提高材料的储锂性能。